РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫИ
УСТАНОВКИ ……………………………………………………….………10
Глава 1. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫЭЛЕКТРОТЕРМИИ…...10
1.1. Электротермические установки и области их применения ……….10
1.2. Теплопередача в электротермические установках …………………11
1.3. Материалы, применяемые в электропечестроении ………………...13
Глава 2. УСТАНОВКИ НАГРЕВА СОПРОТИВЛЕНИЕМ ………………16
2.1. Физическая сущность электрического сопротивления ……………16
2.2. Нагревательные элементы……………………………………………19
2.3. Установки электроотопления и электрообогрева ………………….21
2.4. Электрические печи сопротивления (ЭПС) ………………………..23
2.5. Электрооборудование и регулирование параметров ЭПС ………...27
2.6. Нагрев сопротивлением жидких сред ………………………………29
2.7. Электрошлаковые установки ………………………………………..30
Глава 3. УСТАНОВКИ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ……………………….32
3.1. Физические основы электрической контактной сварки …………...32
3.2. Стыковая сварка ………………………………………………………34
3.3. Точечная сварка ………………………………………………………35
3.4. Шовная сварка ………………………………………………………..37
3.5. Электрооборудование установок контактной сварки ……………..38
Глава 4. УСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННОГО И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
НАГРЕВА ……………………………………………………………………43
4.1. Физико-технические основы индукционного нагрева ……………43
4.2. Индукционные плавильные установки …………………………….46
4.3. Индукционные нагревательные установки ………………………..50
4.4. Физические основы диэлектрического нагрева ……………………53
4.5. Установки диэлектрического нагрева ………………………………56
4.6. Источники питания установок индукционного и диэлектрического нагрева ….……………………………………………………………….…59
РАЗДЕЛ II. УСТАНОВКИ ДУГОВОГО НАГРЕВА …………………...63
Глава 5. ОСНОВЫТЕОРИИ И СВОЙСТВА ДУГОВОГО РАЗРЯДА …..63
5.1. Ионизация газов. Понятие плазмы ………………………………….63
5.2. Структура электродугового разряда ………………………….……..65
5.3. Особенности дуги переменного тока …………………………….….70
5.4. Устойчивость и регулирование параметров электрической дуги…73
Глава 6. ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ ПЕЧИ ……………………………….……..77
6.1. Классификация дуговых печей …………………………….………..77
6.2. Электрооборудование дуговых печных установок ………………..79
Глава 7. ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫИ
УСТАНОВКИ ………………………………………………………………..82
7.1. Устройства для получения низкотемпературной плазмы и области их применения ……………………………………………………………….82
7.2. Энергетические характеристики плазмотронов и источники
питания …………………………………………………………………….86
7.3. Плазменные плавильные установки …………………………….…..89
7.4. Установки плазменной резки и сварки металлов …………….…….90
7.5. Установки плазменного нанесения покрытий …………….………..92
Глава 8. УСТАНОВКИ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ.…….94
8.1. Физико-технические основы дуговой сварки………………………94
8.2. Источники питания дуговой сварки …………………………….…..99
8.3. Ручная дуговая сварка ………………………………………………107
8.4. Установки механизированной и автоматической сварки ………...108
РАЗДЕЛ III. УСТАНОВКИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО
НАГРЕВА............................……………………………………………….111
Глава 9. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА ….…..111
9.1. Физико-технические основы электронно-лучевого нагрева….…..111
9.2. Технологическое применение электронно-лучевого нагрева ……112
Глава 10. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ(ЛАЗЕРЫ)….115
10.1. Основные принципы работы лазеров…………………………….115
10.2. Типы оптических квантовых генераторов……………………….118
10.3. Основы технологии светолучевой обработки ……………………120
РАЗДЕЛ IV. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ И
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ…………….……………….123
Глава 11. ЭЛЕКТРОЛИЗНЫЕ УСТАНОВКИ………………………….…123
11.1. Основы электрохимической обработки…………………………...123
11.2. Электролиз растворов и расплавов………………………………..124
11.3. Электрооборудование электролизных производств……………..127
11.4. Применение электрохимической обработки материалов в машиностроении…………………………………………………………………..131
11.5. Источники питания установок электрохимической обработки…134
Глава 12. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ……....136
12.1. Общая характеристика и физические основы процесса…………136
12.2. Параметры импульсных разрядов………………………………....138
12.3. Генераторы импульсов……………………………………………..139
12.4. Разновидности электроэрозионной обработки и элементы ее оборудования…………………………………………………………………144
12.5. Электроконтактная обработка……………………………………..146
Глава 13. ЭЛЕКТРОХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
В ЭЛЕКТРОЛИТАХ………………………………………………………..148
13.1. Анодно-абразивная обработка………………………………….…148
13.2. Анодно-механическая обработка…………………………….…...150
13.3. Оборудование электрохимико-механической обработки……....152
РАЗДЕЛ V. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫИ
УСТАНОВКИ ………………… ……………………………………….…154
Глава 14. УСТАНОВКИ МАГНИТОИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ ………………………………………………………………...154
14.1. Физико-технические основы …………………………………...…154
14.2. Элементы оборудования установок магнитоимпульсной
обработки …………………………………………………………..….…157
14.3. Характеристика операций магнитоимпульсной обработки …….160
14.4. Электромагнитные насосы ………………………………………..161
Глава 15. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
МАТЕРИАЛОВ ………………………………………………………….…165
15.1. Физические основы электрогидравлического эффекта ………....165
15.2. Технологическое использование высоковольтного разряда …....166
Глава 16. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ ………………………………………………………..…….168
16.1. Физическая сущность ультразвуковой обработки ………………168
16.2. Элементы оборудования ультразвуковых установок …………...169
16.3. Технологическое использование ультразвуковых колебаний…..173
.
РАЗДЕЛ VI. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫОБРАБОТКИ
МАТЕРИАЛОВ ……………………………………………………………175
Глава 17. ОСНОВЫЭЛЕКТРОННО-ИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ………175
17.1. Характеристика электронно-ионных процессов ……………..….175
17.4. Осаждение в электрическом поле …………………………….…..176
Глава 18. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ
УСТАНОВКИ ………………………………………………………...…….178
18.1. Принцип действия и устройство электрофильтров ……………...178
18.2. Источники питания электрофильтров …………………………....180
18.3. Электростатические технологические процессы и их
оборудование …………………………………………………………….182
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………...…..184
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………………....185
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предметом курса «Электротехнологические процессы и установки» является ознакомление с физическими основами процессов преобразования электрической энергии в веществе, элементами инженерного расчёта параметров электротехнологических установок.
Этот курс базируется на знаниях, полученных при изучении физики и математики, и имеет исключительно важное значение для формирования знаний у специалистов об использования элементов и устройств промышленной электроники в электротехнологиях.
В свою очередь, специфическое электрооборудование электротехнологических установок органически связано с технологическим процессом и может правильно создаваться и эксплуатироваться только при глубоком понимании основ технологии.
В первой части пособия излагаются физические основы электротехнологий и описания элементов электротехнологических установок.
Во второй части представлены основы проектирования источников электропитания для установок различного электротехнологического назначения.
ВВЕДЕНИЕ
Установки, в которых происходит превращение электрической энергии в другие виды с одновременным осуществлением технологических процессов, называют электротехнологическими. Эти установки имеют сложное оборудование, включающее в себя рабочий орган - например, плазмотрон, плазменный реактор, электронную пушку, электродные системы дуговых и ионных агрегатов; специфические источники питания, автоматически поддерживающие заданный режим работы.
Совершенствование электротехнологии повлекло за собой создание материалов, обладающих новыми свойствами: более высокими прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному действию химических реакций, и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую теплопроводность. Современные успехи большинства отраслей промышленности и науки достигнуты благодаря применению электротехнологических процессов.
В настоящее время освоение технологии плазменного нанесения покрытий и пленок, ионно-лучевого легирования, плазменного травления, лазерной сварки, фотолитографии, а также применение новых материалов, полученных также в электротехнологических установках, позволило создать принципиально новые устройства микроэлектроники.
Благодаря внедрению контактной сварки достигнут высокий уровень механизации сборочных работ в автомобильной промышленности и авиастроении, обеспечивающий высокую скорость изготовления транспортных средств.
Электротехнологические процессы имеют весьма короткий срок перехода из стен лаборатории в производство и быт. Развитие физики и электротехники позволило создать и предложить производству технологические процессы, в которых используются свойства самих обрабатываемых веществ и материалов, обнаруживающиеся в электрических и магнитных полях. Например, на основе явлений поляризации диэлектриков, электромагнитной индукции разработаны такие прогрессивные электротехнологические процессы, как высокочастотная сушка сыпучих и пористых неэлектропроводных материалов, индукционный нагрев и плавка металлов.
Как известно, вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях – твердом, жидком, газообразном и плазменном.
Твердое состояние – проводники, полупроводники и диэлектрики, металлы и неметаллы, кристаллические и аморфные вещества.
Жидкое состояние – проводники (расплавы металлов, солей, щелочей, оксидов), диэлектрики (минеральные и органические), особая разновидность - жидкие кристаллы.
Газообразное состояние – сложные активные вещества, которые в совокупности с обычными могут составлять системы, где происходит образование других соединений – целевых продуктов, в дальнейшем выделяемых методом конденсации.
Плазменное состояние – электропроводная среда, позволяющая проводить обменные реакции и транспортные процессы на ионном уровне, быть источником лучистой энергии и средством нагрева веществ.
Электрическое и магнитное поля могут быть постоянными или быстроменяющимися во времени и в пространстве, иметь широкий диапазон изменения напряженности. Посредством электрических и магнитных полей с веществом, находящимся в каждом из агрегатных состояний, можно совершать множество операций – изменение температуры, формы, структуры, состава, свойств в разных направлениях и т. д.
Электротехнологические установки условно группируют по результирующему действию электрического тока и магнитного поля, проявляющемуся в различных условиях.
1. Установки, основанные на тепловом действии тока. К ним относят бытовые нагревательные приборы, печи сопротивления прямого и косвенного действия, установки для нагрева жидкостей и газов – электрические котлы разных типов и калориферы, электродные ванны.
В установках контактной сварки электрическая энергия преобразуется в тепловую в переходном сопротивлении в точке контакта двух деталей.
В установках индукционного нагрева используется преобразование энергии переменного тока в энергию переменного магнитного поля, которая преобразуется вновь в электрическую, а затем в тепловую в нагреваемом теле.
Для нагрева диэлектриков применяются установки, использующие высокочастотное электрическое поле, где преобразование электрической энергии в тепловую идет через процессы поляризации веществ.
Нагрев электрической дугой используется в электродуговых печах, сварочных установках, сюда же относятся установки плазменной обработки металлов и неметаллических материалов.
Получения высококонцентрированных потоков тепловой энергии реализовано в электронно-лучевых и лазерных установках.
В установках электроэрозионной обработки тепловая энергия выделяется в канале разряда в жидкости при импульсном протекании тока большой силы.
2. Установки, основанные на электрохимическом действии тока. К ним относят электролизные ванны, заполняемые растворами или расплавами, установки для нанесения защитных и декоративных покрытой, а также установки для изготовления изделий методом гальванопластики, установки электрохимико-механической обработки изделий в электролитах.
3. Электромеханические установки, где прохождение импульсного тока вызывает возникновение механических усилий в обрабатываемом материале.
4. Электрокинетические установки, принцип действия которых основан на преобразовании энергии электрического поля в энергию движущихся частиц. К ним относят – установки по разделению сыпучих материалов и эмульсий, очистке сточных вод, электроокраске, электрофильтры.
РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫИ
УСТАНОВКИ
Глава 1. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫЭЛЕКТРОТЕРМИИ
1.1. Электротермические установки и области их применения
Понятие «электротермия» объединяет большой класс технологических процессов в различных отраслях промышленности, основой которых служит нагрев материалов и изделий с помощью электрической энергии.
В электротермии можно выделить следующие способы преобразования электрической энергии в тепловую.
Нагрев сопротивлением происходит за счет выделения теплоты в проводящем материале при протекании по нему электрического тока. Этот вид нагрева основан на законе Джоуля-Ленца и применяется в установках прямого и косвенного действия.
В установках прямого действия теплота выделяется непосредственно в нагреваемом изделии, включаемом в цепь. В установках косвенного действия тепловая энергия выделяется в специальных нагревательных элементах и затем по законам теплопередачи поступает в нагреваемый объект. В обоих случаях нагреваемые объекты могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.
Индукционный нагрев, основанный на преобразовании энергии электромагнитного поля в тепловую посредством наведения в нагреваемом теле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля-Ленца. Нагрев может осуществляться прямым или косвенным методом.
Диэлектрический нагрев помещенных в высокочастотное электрическое поле непроводящих материалов и полупроводников, происходящий за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации.
Дуговой нагрев, при котором материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами.
Электронно- и ионно-лучевой нагрев, в результате которого тепловая энергия выделяется при столкновении быстродвижущихся электронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью нагреваемого объекта.
Плазменный нагрев, основанный на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле. Полученная таким образом низкотемпературная плазма используется для нагрева различных сред.
Лазерный нагрев, происходящий за счет нагрева поверхности объектов при поглощении ими высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах – оптических квантовых генераторах.
1.2. Теплопередача в электротермических установках
Основные параметры электротермических установок (мощность, коэффициент полезного действия, удельный расход электроэнергии) определяют в результате расчета теплоты, требуемой для технологического процесса, а также расчета процессов теплообмена между источником теплоты и окружающей средой. Теплообмен определяется законами теплопередачи. Процесс теплообмена является сложным, поэтому в инженерных расчетах его подразделяют на более простые составляющие – теплопроводность, конвекцию и излучение (лучистый теплообмен).
Теплопроводность – это передача теплоты внутри твердого тела или неподвижной жидкости (газа) от областей с более высокой температурой к областям с более низкой температурой.
В соответствии с молекулярно-кинетической теорией теплопроводность обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействием микрочастиц (молекул, атомов, электронов). Частицы с большей энергией отдают часть своей энергии менее нагретым при соударении. Скорость теплопередачи в этом случае зависит от физических свойств вещества, в частности от его плотности. При стационарных процессах теплопередачи тепловой поток, проходящий через тело в единицу времени, постоянный, так как в процессе передачи теплоты теплосодержание тела не изменяется.
Тепловой поток (Вт) через однослойную плоскую стенку при установившемся режиме определяется по формуле Фурье:
(1.1)
где 
и 
– температуры поверхностей стенки, К; l – ее толщина, (м); F – площадь проводящей стенки, 
; 
– коэффициент теплопроводности, зависящий от природы вещества и температуры, Вт/(м 
К).
Для большинства применяемых в печестроении материалов:
, (1.2)
здесь 
– коэффициент теплопроводности при 273 К; 
- температурный коэффициент; 
– средняя температура стенки, К.
Конвекция – теплопередача в жидкостях и газах, при которой перемещаются отдельные частицы и отдельные элементы объема вещества, переносящие присущий им запас тепловой энергии. Перенос теплоты вместе с переносом массы вещества называют конвективным теплообменом.
Если передача теплоты конвекцией обусловлена лишь разностью плотностей вещества вследствие различных температур, то такая конвекция называется естественной или свободной. При наложении на нагретый объем вещества внешних сил (принудительное перемещение вещества) теплоперенос называют вынужденной конвекцией.
Тепловой поток конвективного теплообмена определяют на основании закона Ньютона-Рихмана:
, (1.3)
где 
– коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(
); 
– температура стенки; 
– температура окружающей среды; F – поверхность конвективного теплообмена, 
.
Коэффициент теплоотдачи 
представляет собой количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью и омывающей жидкостью в 1 К.
Излучение – передача теплоты в невидимой (инфракрасной) и видимой частях спектра. При передаче теплоты излучением энергия передается в форме электромагнитных волн. Для передачи тепловой энергии наиболее существенными являются тепловое излучение с длиной волны 0,4-400 мк. Между нагретыми телами, расположенными в пределах видимости друг друга, всегда происходит лучистый теплообмен. При этом суммарный тепловой поток направлен от более нагретого тела к менее нагретому. Этот поток определяется температурами тел, степенью их черноты и размерными факторами.
При излучении нагретого тела в неограниченное пространство (при односторонней теплопередаче) лучистый тепловой поток (Вт/ 
):
, (1.4)
где 
– постоянный коэффициент излучения абсолютно черного тела; 
– степень черноты тела, численно равная его поглощающей способности (для абсолютно черного тела =1); T – абсолютная температура, К.
1.3. Материалы, применяемые в электропечестроении
При изготовлении электротермических установок (ЭТУ) применяются материалы, предназначенные для работы при высоких температурах. В их числе огнеупорные и теплоизоляционные материалы для теплоизоляции нагреваемых тел от окружающей среды и жаропрочные материалы, идущие на изготовление нагревателей и элементов конструкций печей.
Огнеупорные материалы – материалы, используемые для сооружения различных печей и аппаратов, работающих в условиях высокотемпературного (выше 1200 К) нагрева.
По специфическим условиям работы они должны удовлетворять следующим требованиям.
1. Огнеупорность – это способность без деформации и оплавления противостоять воздействию высоких температур. В зависимости от степени огнеупорности их подразделяют на три класса: огнеупорные (огнеупорностью 1580-1770 К); высокоогнеупорные (1770-2000 К включительно); высшей огнеупорности (выше 2000 К).
Материалы с огнеупорностью ниже 1580 К называют теплоизоляционными.
2. Механическая прочность. При высоких температурах она имеет важное значение, поскольку огнеупорные материалы в процессе работы подвергаются воздействию значительных механических нагрузок в условиях высоких температур. Механическая прочность огнеупоров определяет верхний температурный предел их применения. Максимальной рабочей температурой огнеупорного материала принята температура, при которой начинается деформация материала от сжимающей нагрузки 20 кПа.
3. Термическая устойчивость – это способность материала без разрушения выдерживать резкие колебания температуры. Выгрузка из печи нагретого и последующая загрузка холодного материала создают в печах резкие колебания температуры, которые приводят к термическим напряжениям, способным разрушить огнеупорный материал.
4. Химическая нейтральность. По отношению к нагреваемому материалу и внутренней кладке печи огнеупорные материалы должны быть химически нейтральны, чтобы не засорять нагреваемую продукцию и не разрушаться ею путем химической эрозии.
5. Малая электропроводность. Огнеупорный материал в электрических печах часто одновременно является и электроизоляционным материалом. На нем монтируются электронагревательные элементы, он является тепло - и электроизолятором ванны печи от корпуса. По этой причине огнеупорный материал должен обладать хорошими электроизоляционными свойствами в условиях рабочих температур.
6. Малая теплопроводность. Она способствует снижению тепловых потерь через стенки электрической печи без чрезмерного увеличения их толщины.
Наиболее полно изложенным требованиям удовлетворяют огнеупорные материалы, изготовляемые на основе кремнезема (2000 К), глинозема (2300 К), оксида магния (2600 К).
Массовыми огнеупорами для электроплавильных печей являются динас (2000 К), магнезит (2570 К), хромомагнезит, доломит и шамот (2000 К).
Для печей сопротивления основным огнеупорным материалом является шамот, представляющий собой глубоко обожженную огнеупорную глину. Высокотемпературные печи футеруют изнутри в основном высокоглиноземистыми материалами – муллитом, алундом, а также углем и графитом.
Для выплавки тугоплавких металлов и сплавов применяются высококачественные и относительно дорогостоящие огнеупорные материалы – диоксид циркония (температура плавления 2800 К), оксид бериллия (2870 К), диоксид тория (3300 К) и др.
В практике нашли применение искусственные высокотемпературные волокна, теплопроводность которых в 2 раза ниже, чем материалов с ячеистой структурой.
Теплоизоляционные материалы. Обладают малой теплопроводностью при достаточной огнеупорности. Поэтому теплоизоляционные материалы – это, как правило, рыхлые легкие массы, сильно пористые изделия или крупнозернистые порошки.
Наибольшее распространение в качестве теплоизоляционных материалов получили диатомит, шлаковые и минеральные ваты, пеностекло, зонолит, а также комбинированные материалы на основе асбеста.
Диатомит – осадочная горная порода; по химическому составу – кремнезем, используется в виде насыпной изоляции.
Шлаковые и минеральные ваты получают из топочных и доменных шлаков, а также из различных пустых пород путем расплавления их в печах и последующего распыления струи расплава сжатым воздухом или паром.
Пеностекло получают путем добавления в расплав стекла газообразующих веществ. Полученные изделия из пеностекла обладают хорошо развитой пористостью и большой механической прочностью, максимальная рабочая температура 900-1000 К.
Зонолит – легкая чешуйчатая масса, получаемая из низкосортной слюды путем обжига. Применяется в виде засыпки (до 1400 К).
Асбест – волокнистый материал, с максимальной рабочей температурой 900 К. В чистом виде применяется в качестве засыпки. Обычно служит армирующим веществом для создания композиционных материалов (асбокартон, асбошнур и т. п.).
Жаропрочные материалы. Жаропрочность – свойство материала сохранять высокую механическую прочность при высоких температурах. Жароупорность – устойчивость к химическим реакциям при высоких температурах.
Основные жаропрочные материалы – сплавы железа со специальными легирующими добавками хрома, алюминия, никеля.
Увеличение содержания хрома до 30 % позволяет применять детали при температурах до 1300-1400 К.
Увеличение процентного содержания никеля в сплаве улучшает его обрабатываемость, повышает механическую прочность. Хромоникелевые стали используют для изготовления механически нагруженных конструкций и деталей (конвейерные ленты, направляющие толкательных печей и т. п.).
Для высокотемпературных электропечей в качестве жароупорных материалов применяют молибден, ниобий, вольфрам (работающие в защитных газах – аргоне, азоте, водороде), высокоогнеупорную керамику, карбиды и бориды некоторых материалов.
Глава 2. УСТАНОВКИ НАГРЕВА СОПРОТИВЛЕНИЕМ
2.1. Физическая сущность электрического сопротивления
Электрический ток – это направленное движение положительных или отрицательных электрических зарядов под действием электрического поля. Он может обеспечиваться движением только электронов, как это имеет место в вакууме при эмиссии электронов накаленным катодом, металлах и материалах, проявляющих свойство сверхпроводимости. Вещества, обладающие электронной проводимостью, называют проводниками первого рода. Проводящие среды, в которых прохождение тока обеспечивается движением частиц вещества – ионов, называют проводниками второго рода. К ним относятся электролиты – растворы и расплавы. Плазма имеет смешанную проводимость.
Соотношения между плотностью тока, напряженностью электрического поля и электропроводностью вещества определяются законом Ома. В общей форме этот закон имеет вид:
, (2.1)
где 
– плотность тока, А/ 
; 
– плотность носителей заряда электронов и ионов соответственно, 1/ 
, 
– подвижность электронов и ионов, численно равная скорости дрейфа заряженных частиц в направлении электрического поля при его напряженности Е= 1 В/см; 
– заряд электрона.
Поскольку в металлах ток проводится исключительно электронами, уравнение (2.1) запишем в виде:
. (2.2)
Из формулы (2.2) следует:
, (2.3)
где 
– электропроводность вещества, зависящая от концентрации носителей зарядов 
, а также от вида вещества и его состояния 
.
С учетом (2.2) и (2.3) можно записать:
. (2.4)
Величину, обратную проводимости, 
называют удельным электрическим сопротивлением. Оно зависит от тех же факторов, что и проводимость и для всех металлов увеличивается с ростом температуры. Удельное сопротивление проводника при заданной температуре:
, (2.5)
где 
– удельное сопротивление проводника при температуре 293 К; 
– температурный коэффициент электрического сопротивления, Ом/К.
При приближении температуры к абсолютному нулю часть сопротивления, обусловленная тепловыми колебаниями атомов решетки, стремится к нулю, так что остается лишь сопротивление, обусловленное дефектами решетки (примесями и т. п.). У проводников второго рода с повышением температуры элекропроводность возрастает.
Зависимость тока от приложенного напряжения называют вольт-амперной характеристикой вещества.
Если характеристики выражают зависимость постоянного напряжения от соответствующих значений постоянного тока, их называют статическими. Характеристики при достаточно быстрых изменениях тока называют динамическими. Они отличаются от статических вследствие, например, тепловой инерции проводника. В этом случае рассматривают статические сопротивление и проводимость и динамические сопротивление и проводимость проводника (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Вольт – амперная характеристика проводника
Удельное статическое сопротивление 
пропорционально тангенсу угла наклона луча, проведенного из начала координат в данную точку характеристики, т. е. 
tg . Удельное динамическое сопротивление пропорционально тангенсу угла 
наклона касательной в данной точке характеристики 
tg 
. Переходя от удельного сопротивления к проводимости, запишем: 
ctg 
; 
дин 
ctg . 
Величину ctg 
называют удельной дифференциальной проводимостью.
В переменном электрическом поле проводимость проводника является комплексной величиной:
, (2.6)
где 
– соответственно активная и реактивная составляющие проводимости.
При соударении с элементами структуры металла электроны обмениваются полученной ими в электрическом поле энергией, что выражается в нагреве проводника. Количество выделяющейся в проводнике теплоты зависит от сопротивления проводника, электрического тока в цепи, времени его прохождения и определяется законом Ленца-Джоуля:
, (2.7)
где 
– ток, А; 
– сопротивление, Ом; 
– время, с.
Если выразить через удельное сопротивление проводника, учесть его геометрические размеры 
– длину, м, и S – площадь сечения, м2, то выделяющаяся в проводнике мощность:
, (2.8)
где 
– площадь сечения, м2; 
– длина проводника, м.
2.2. Нагревательные элементы
Выбор материала и конструкции нагревательного элемента (НЭ) определяется особенностями технологического процесса и конструкции установки. Материалы НЭ должны обладать высоким удельным электрическим сопротивлением; малым температурным коэффициентом удельного сопротивления; постоянным электрическим сопротивлением нагревателя в процессе длительного срока его службы.
По температурным пределам работы нагревательные элементы подразделяют на три группы:
– низкотемпературные – нагрев до 500-700 К и преимущественно конвективный способ теплообмена;
– среднетемпературные – нагрев до 900-1300 К с теплообменом конвекцией, теплопроводностью и излучением;
– высокотемпературные – нагрев до 2500-3300 К с преимущественно радиационным способом теплопередачи.
Для изготовления НЭ с рабочей температурой до 1500 К распространенными материалами являются нихромы (сплавы никеля и хрома), фехрали (хромоалюминиевые сплавы), а также хромоникелевые жаропрочные стали.
Нихромы содержат 75-78 % никеля и около 25 % хрома. Увеличение процентного содержания никеля в сплаве повышает его рабочую температуру. Добавка титана улучшает механическую прочность сплава.
Хромоникелевые жаропрочные стали содержат 22-27 % хрома и 17-20 % никеля, из них изготовляют НЭ с рабочей температурой до 1100 К.
Фехрали являются сплавом железа, хрома (до 13 %) и алюминия (до 4 %). НЭ из них работают при температурах до 1100 К.
Сплавы с содержанием хрома 20-27 % и с микродобавками элементов (бора, титана и др.) способствует получению температур в диапазоне 1470-1620 К.
Открытые НЭ применяются в печах и бытовых нагревательных приборах, они могут быть проволочные зигзагообразные, проволочные спиральные и ленточные. В зависимости от конструкции НЭ выбирают способ его крепления на футеровке печи (рис. 2.2, а-ж).
Для нагрева жидкостей или газов при различных технологических процессах (получение сухого перегретого пара) служат НЭ, выполненные в виде цилиндра из порис